Ismail, dkk./ ROTASI, Vol. 21 No. 3  (Juli  2019) Hal. 193-199

## Analisis Kekuatan Struktur Wereable Elbow Exoskeleton untuk Penderita Kelumpuhan
Gerak Siku Menggunakan Finite Element Method (FEM)
* Rifky Ismail 1,2 Frandy A Sitanggang 1 dan Mochammad Ariyanto 1,2
1 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Jl. Prof. Sudharto Kampus UNDIP Tembalang Semarang 50275
1 Center for Biomechanics, Biomaterials, Biomechatronics and BioSignal Processing (CBIOM3S) Pusat Unggulan Iptek Perguruan Tinggi (PUI PT) UNDIP Jl. Prof. Sudharto Kampus UNDIP Tembalang Semarang 50275 *E-mail: ismail.rifky@gmail.com

## ABSTRACT
The development of wearable elbow exoskeletons is in line with the development of robotics, where for some  purposes  to  be  used  requires  adjustments  to  material  use.  In  the  development  of  robotics,  the types  of  robots  are  divided  into  2  types,  namely  hard  robotic  and  soft  robotic  based  on  the  material used.  On  robotic  wearable  exoskeletons  also  adapting  material  developments  that  can  support ergonomic values for patients to use it more comfortably. In Indonesia, research on elbow exoskeletons has  been  carried  out  (Ismail,  2018),  but  it  is  necessary  to  test  the  structural  strength  of  these therapeutic devices. In this study we will discuss the strength  of the structure of the Wearable Elbow Exoskeleton  that  has  been  designed  using  the  Finite  Element  Method  where  objects  consist  of  an infinite number of elements that compose them. In the absence of the finite element method it will be very difficult to analyze the stress or deformation. To facilitate the analysis it can be assumed that an object consists of a finite number of elements. The finite element method is a method that approaches by  assuming  an  object  consists  of  finite  elements.  These  elements  are  considered  separate  and  are connected to a point called a nodal point so that it forms a net, the smaller the size of the element, the smaller  the  error  that  arises.  The  simulation  process  is  given  some  limitations  that  are  used  in  the simulation.  In  boundary  condition,  we  determine  the  loads  that  work  on  the  geometry  and  what supports are used in geometry. The boundary condition specified in the simulation must be as much as possible  with  the  actual  conditions,  because  it  will  affect  the  results  that  will  be  obtained  in  the simulation  process.  From  the  simulation  results  obtained  in  the  motor-linkage  section  the  maximum voltage is 0.0016 MPa and safety factor of 13.05, the maximum linkage received is 58.461 MPa and the safety factor is 3.561, while the base maximum voltage received is 7.624 MPa and the safety factor amounting to 3,542. From these  results it can be concluded if the parts that are considered prone to failure are considered to have sufficient safety factors to be used even at the maximum stress
Keywords: Finite element method; von mises; brachialis plexus injury

## ABSTRAK
Perkembangan  wearable  elbow  exoskeleton  sejalan  dengan  perkembangan  robotika,  dimana  untuk beberapa  keperluan  untuk  digunakan  membutuhkan  penyesuaian  pada  penggunaan  material.  Pada perkembangan  robotika,  jenis  robot  dibedakan  menjadi  2  jenis  yaitu  hard  robotic  dan  soft  robotic berdasarkan  material  yang  digunakan..  Pada  wearable  exoskeleton  robotic  juga  mengadaptasi perkembangan material yang dapat menunjang nilai ergonomi untuk penderita dapat menggunakannya lebih  nyaman  lagi.    Di  Indonesia  riset  tentang  elbow  exoskeleton  sudah  dilakukan  (Ismail,  2018), namun  perlu  ada  nya  pengujian  kekuatan  struktur  dari  alat  terapi  tersebut.  Dalam  penelitian  ini  akan membahas  kekuatan  struktur  dari  wearable  elbow  exoskeleton  yang  sudah  dirancang  dengan menggunakan  Metode  Elemen  Hingga  dimana  benda  terdiri  dari  tak  terhingga  elemen  yang menyusunnya.  Dengan  tidak  adanya  metode  elemen  hingga  tersebut  maka  akan  sangat  sulit  untuk dianalisis  tegangan  atau  deformasinya.  Untuk  memudahkan  analisis  tersebut  dapat  dianggap  bahwa suatu benda terdiri dari jumlah berhingga elemen. Metode elemen hingga adalah sebuah metode yang melakukan  pendekatan    dengan  menganggap  suatu  benda  terdiri  dari  berhingga  elemen.  Elemen- elemen tersebut dianggap terpisah dan dihubungkan dengan titik yang dinamakan titik nodal sehingga membentuk  suatu jaring, Semakin  kecil  ukuran elemen, semakin  kecil  kesalahan  yang timbul. Proses simulasi  ini  diberikan  beberapa  batasan-batasan  yang  digunakan  pada  simulasi.  Pada  boundary condition, ditentukan beban-beban yang bekerja pada geometri dan tumpuan apa saja yang digunakan pada geometri. Boundary condition yang ditetapkan pada simulasi harus sebisa mungkin sama dengan kondisi yang sebenarnya, karena akan mempengaruhi hasil yang akan didapatkan pada proses simulasi. Dari  hasil  simulasi  didapatkan  pada  bagian  motor-linkage  tegangan  maksimum  sebesar  0.0016  MPa
Ismail, dkk./ ROTASI, Vol. 21 No. 3  (Juli  2019) Hal. 193-199
dan safety factor sebesar 13,05, pada Linkage tegangan maksimum yang diterima sebesar 58,461 MPa dan safety factor sebesar 3,561, sedangkan pada base tegangan maksimum yang diterima sebesar 7,624 MPa  dan  safety  factor  sebesar  3,542.  Dari  hasil  tersebut  dapat  disimpulkan  jika  pada  bagian-bagian yang dianggap rawan untuk terjadi kegagalan dinilai memiliki faktor keamanan yang cukup baik untuk digunakan bahkan pada tegangan maksimumnya.
Kata kunci: Metode elemen hingga; von mises; brachial plexus injury

## 1. Pendahuluan
Pengembangan wearable exoskeleton robotic mempunyai tujuan yang berbeda–beda, diantaranya dapat diterapkan pada orang dengan penyakit stroke, sebagai alat bantu gerak penderita disabilitas fungsi tangan, dan alat bantu di bidang industri  maupun  rehabilitasi  pada  rumah  sakit.  Perkembangan wearable  exoskeleton sejalan  dengan  perkembangan robotika,  dimana  untuk  beberapa  keperluan  untuk  digunakan  membutuhkan  penyesuaian  pada  penggunaan  material. Pada  perkembangan  robotika,  jenis  robot  dibedakan  menjadi  2  jenis  yaitu hard robotic  dan soft  robotic berdasarkan material  yang  digunakan. Hard  robotic merupakan  sebuah  mesin  yang  dirancang  untuk  melakukan  pekerjaan  secara spesifik, dan berulang ulang. Sedangkan soft robotic merupakan sub-bidang dari robotik yang dirancang menggunakan material  yang  “compliant”  (dapat  menyesuaikan  sesuai  dengan  kebutuhan),  mirip  dengan  yang  ditemukan  pada organisme hidup dengan menggunakan material yang lebih nyaman untuk diaplikasikan pada manusia. Pada wearable exoskeleton  robotic juga  mengadaptasi  perkembangan  material  yang  dapat  menunjang  nilai  ergonomi  untuk  penderita dapat menggunakannya lebih nyaman lagi.
Karena  pengembangan exoskeleton yang  bisa  dikembangkan  sangat  luas,  oleh  sebab  itu exoskeleton diklasifikasikan  menjadi  5  bidang  dasar  pengembangan  yaitu  segmen  pengaplikasian  pada  tubuh,  derajat  kebebasan  / degree  of  fredom (DOF)  yang  dapat  dicapai  alat,  tipe  penggerak,  metode  transmisi  daya,  pengaplikasian  alat,  serta klasifikasi tambahan seperti model linkage configuration dan metode kontrol. Dalam pengembangan desain exoskeleton itu sendiri akan sangat tergantung dari beberapa klasifikasi yang disebutkan diatas [1].
Penelitian di dunia telah sangat maju berkaitan dengan exoskeleton [2-8]. Beberapa diantaranya berkaitan dengan upaya  membantu  pasien  untuk  dapat  memulihkan  kembali  gerakan  tangan  melalui  proses  terapi  sehingga  proses pemulihannya  bisa  lebih  cepat.  Alat  bantu  gerak  yang  digunakan  ini  berupa wearable  exoskeleton dengan  spesifikasi untuk membantu gerakan jari tangan, pergelangan dan siku pasien yang mengalami kelumpuhan gerak anggita bagian tubuh  atas.  Beberapa  penelitian  di  berbagai  penjuru  dunia  berkaitan  dengan  upaya  membangun  suatu  peralatan  yang dapat  digunakan  oleh  pasien  untuk  sehari-hari  telah  mencapai  kemajuan  yang  cukup  pesat.  Dalam  kasus wearable exoskeleton, penggunaan  alat  yang  digunakan  untuk  kehidupan  sehari-hari  akan  membutuhkan  perancangan  dan pengujian  yang  mendalam  sehingga  pasien  dapat  nyaman  menggunakan,  kuat  menahan  beban  dan  dapat  digunakan untuk waktu yang lama.
Saat ini di Center for Biomechanics, Biomaterials, Biomechatronics and BioSignal Processing (CBIOM3S) Pusat Unggulan  Iptek  Perguruan  Tinggi  (PUI  PT)  Universitas  Diponegoro  telah  dilakukan  penelitian  tentang  tentang wearable  elbow  exoskeleton yanga  khusus  dipakai  untuk  membantu  gerak  pasien  yang  mengalami  kelumpuhan  gerak siku.  Penelitian  ini  merupakan  kelanjutan  dari  penelitan  tentang  tangan  bionik  yang  telah  banyak  dipublikasikan sebelumnya  [9-11].  Produk wearable  elbow  exoskeleton sedang  dalam  proses  pengurusan  paten  sehingga  tidak  dapat banyak dimasukkan dalam paper ini. Dalam salah satu prosesnya, produk wearable elbow exoskeleton ini perlu ada nya pengujian kekuatan struktur dan analisis pembebanan. Dimensi dari 3 part utama yang menanggung beban: part base, linkage dan penyambung gear – linkage pada wearable elbow exoskeleton produk ini telah ditetapkan. Kajian metode elemen  hingga  dibutuhkan  untuk  mengetahui  apakah  dimensi  yang  telah  dipilih  ini  mampu  menahan  beban  tangan pasien  yang  akan  digerakkan.  Tujuan  dalam  penelitian  ini  adalah  kajian  kekuatan  struktur  dari wearable  elbow exoskeleton produk  CBIOM3S  UNDIP  yang  sudah  dirancang  dengan  menggunakan  alat  bantu  perhitungan  Metode Elemen  Hingga/Finite  Element  Method  (FEM)  dengan  menekankan  pada  pembahasan  analisis  tegangan  dan safety factor dari ketiga part utama yang menahan beban lengan pasien.

## 2. Material dan Metode Penelitian
Dalam  penelitian  ini  ada  3  part  yang  akan  di  analisis  yaitu part  base,  linkage dan  penyambung gear  –  linkage. Wearable elbow exoskeleton dibuat menggunakan bahan-bahan polimer seperti poly lactic acid (PLA), aluminium dan PVC.    Berikut  merupakan  sifat  mekanik  material  yang  digunakan  dalam  pengujian  penelitian  ini.  Proses  simulasi  ini diberikan  beberapa  batasan-batasan  yang  digunakan  pada  simulasi.  Pada boundary  condition ,  ditentukan  beban-beban yang bekerja pada geometri dan tumpuan apa saja yang digunakan pada geometri. Boundary condition yang ditetapkan pada simulasi harus sebisa mungkin sama dengan kondisi yang sebenarnya, karena akan mempengaruhi hasil yang akan didapatkan pada proses simulasi.
Ismail, dkk./ ROTASI, Vol. 21 No. 3  (Juli  2019) Hal. 193-199
Gambar 1. (a) Part penyambung gear-linkage (b) Part base dan linkage
Tabel 1 . Sifat mekanik PLA Tabel 2 . Sifat mekanik aluminium Keterangan Nilai Densitas 2,74 gr/cm 3 Tensile strength 392 MPa Poisson’s Ratio 0,33 Modulus Young 73 GPa
Tabel 3 . Sifat mekanik PVC ( Polyvinyl Chloride ) Keterangan Nilai Densitas 1,3 gr/cm 3 Tensile strength 41,4 MPa Poisson’s Ratio 0,33 Modulus Young 2,480 GPa

## 2.1. Gaya
Gaya yang bekerja pada simulasi ini terletak pada sumbu vertical terhadap Y dimana gaya merupakan hasil dari berat tangan 1,54 kg dan ditambah beban maksimum yang dapat ditahan oleh alat dengan torsi 9,2 N.m yaitu 2 kg. lalu dikalikan dengan gaya gravitasi bumi maka F yang didapat yaitu 34,98 N. Gambar 2 merupakan gaya yang bekerja pada model simulasi
Keterangan Nilai Densitas 1,23 gr/cm 3 Tensile Strength 42,57 MPa Poisson’s Ratio 0,3 Modulus Young 2,3 GPa
2.2. Jenis Support
Support yang  diberikan  pada  simulasi  ini  adalah fix support ,  karena  pada  perhitungan  beban  menggunakan persamaan  kesetimbangan  moment  gaya.  Maka  benda  akan  dianggap  tetap  dan  tidak  mengalami  perpindahan  sama sekali. Gambar 3 adalah tumpuan fix support pada bagian permukaan model.
Gambar 3 . Tumpuan fix support pada bagian permukaan model
2.3. Mesh Study
Untuk mesh study disini menggunakan fiture converegen dari software , dengan fungsi ini software akan mencari sendiri  dimana  nilai  optimum  dari mesh yang  akan  digunakan,  dimana  dengan  adanya  perubahan mesh tidak  terjadi perubahan tegangan. Gambar 4 adalah hasil mesh pada model.
Gambar 4 . Hasil mesh pada model
Tabel 4 .  Hasil variasi Mesh Elemen Size (mm) Tegangan(MPa) 4,25 15,635 3,25 15,817 2,25 18,195 1,25 19,296 1 19,451 0,75 19,54
Pada  sample  part  tersebut,  di  ujikan  ukuran  kekasaran  mesh  sebesar  4,25  mm,  3,25  mm,  2,25  mm,  1,25  mm,  1 mm, dan 0,75 mm. Dari pengujian variasi tersebut, didapatkan hasil seperti pada Tabel  4. Dari hasil pengujian variasi mesh  tersebut,  mesh  ukuran  2,25  mm  dan  1,25  mm  menunjukkan  perbedaan  yang  kecil,  sehingga  dapat  disimpulkan bahwa  pada  ukuran  ini,  hasil  dari  pengujian  cukup  steady  dan  dapat  digunakan  untuk  ukuran  mesh  pada  simulasi selanjutnya.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Hasil  pengujian  didapat  dari simulasi  analisis  pembebanan  statik  dengan  menggunakan software metode  elemen hingga. Gaya yang bekerja pada simulasi ini terletak pada sumbu vertikal terhadap Y dimana gaya merupakan hasil dari berat  tangan  1,54  kg  dikalikan  dengan  gaya  gravitasi  bumi  yaitu  15,3  N. Support yang  diberikan  pada  simulasi  ini adalah fix support , karena pada perhitungan beban menggunakan persamaan kesetimbangan moment gaya. Maka benda akan  dianggap  tetap  dan  tidak  mengalami  perpindahan  sama  sekali.  Untuk  mesh  study  disini  menggunakan  fiture converegen  dari software metode  elemen  hingga,  dengan  fungsi  ini software metode  elemen  hingga  akan  mencari sendiri  dimana  nilai  optimum  dari  mesh  yang  akan  digunakan,  dimana  dengan  adanya  perubahan  mesh  tidak  terjadi perubahan tegangan.
Ismail, dkk./ ROTASI, Vol. 21 No. 3  (Juli  2019) Hal. 193-199
Selanjutnya  data  dari  gaya  yang  dialami, mechanical  properties dari  material  yang  akan  disimulasi,  dan  kondisi batas  pada  simulasi  sudah  ditetapkan  maka  langkah  selanjutnya  adalah  melakukan  running  simulasi  menggunakan software metode elemen hingga. Part yang akan disimulasikan merupakan part yang cenderung mengalami kegagalan dan part yang terkena beban atau gaya. Hasil dari simulasi tersebut dapat dilihat tegangan maksimum dan safety factor terjadi pada 3 part cukup tinggi dimana safety factor pada ketiga part lebih besar dari 1 maka dikatakan part tersebut aman namun dengan nilai safety factor tersebut termasuk dikategorikan terlalu besar maka perlunya dilakukan optimasi pada setiap part.
Untuk bagian motor-linkage tegangan maksimum sebesar 0.000433 MPa dan safety factor sebesar 15 pada daerah yang ditunjukkan oleh Gambar  5 dan Gambar 6. Pada linkage tegangan  maksimum  yang diterima sebesar 25,41 MPa dan safety  factor sebesar  7,94  pada  daerah  yang  ditunjukkan  oleh  Gambar  5  dan  Gambar  6.  Sedangkan  pada base tegangan  maksimum  yang  diterima  sebesar  3,287  MPa  dan safety  factor sebesar  8,26    pada  daerah  yang  ditunjukkan oleh  Gambar  5  dan  Gambar  6.  Dari  hasil  tersebut  dapat  disimpulkan  jika  pada  bagian-bagian  yang  dianggap  rawan untuk  terjadi  kegagalan  dinilai  memiliki  faktor  keamanan  yang  cukup  baik  untuk  digunakan  bahkan  pada  tegangan maksimumnya. Hasil dari simulasi dapat dilihat pada Tabel 5.
(a)                                                                  (b)
(c)                                                                  (d)
Gambar 5 Tegangan maksimum dari hasil simulasi pembebanan
(a)                                                                  (b)
(c)                                                                  (d) Gambar 6. Safety factor dari hasil simulasi pembebanan
Tabel 5 Hasil Simulasi part wearable elbow exoskeleton
Bagian Material Safety factor Tegangan (MPa) Motor - Linkage PLA 15 0,000433 linkage Allumunium 7,94 25,415 base PVC 8,26 3,287

## 4. Kesimpulan
Hasil  dari  simulasi  tersebut  dapat  dilihat  tegangan  maksimum  dan safety  factor terjadi  pada  3  part  cukup  tinggi dimana safety factor pada ketiga part lebih besar dari 1 maka dikatakan part tersebut aman namun dengan nilai tersebut termasuk dikategorikan terlalu besar maka perlunya dilakukan optimasi pada setiap part.  Untuk bagian motor-linkage tegangan  maksimum  sebesar  0.0016  MPa  dan safety  factor sebesar  13,05.  Pada linkage tegangan  maksimum  yang diterima sebesar 58,461 MPa dan safety factor sebesar 3,561. Sedangkan pada base tegangan maksimum yang diterima sebesar 7,624 MPa dan safety factor sebesar 3,542. Hasil kajian ini  menunjukkan bahwa wearable elbow exoskeleton yang  dimensinya  telah  ditetapkan  dalam  proses  perancangan  sebelumnya  memiliki  nilai  analisis  tegangan  yang dinyatakan  mampu  menahan  beban  lengan  pasien  saat  akan  digerakkan  menggunakan  alat  ini.  Hasilnya  dibuktikan dengan seluruh safety factor yang memberikan nilai lebih besar dari 1.

## Daftar Pustaka
[1]   Gopura,  R.A.R.C.,  Bandara,  D.S.V.,  Kiguchi,  K.,  Mann,  G.K.I.,  2016,  ‘Developments  in  hardware  systems  of active upper-limb exoskeleton robots: A review’, Robotics and Autonomous Systems 75, 203–220.
[2]   Trivedi, D., Rahn, C. D., Kier, W. M. dan Walker, I. D, 2008, “Soft robotics: Biological inspiration, state of the art, and future research,” Appl. Bionics Biomech ., vol. 5, no. 3, pp. 99–117.
[3]  Brokaw,  E.  B.,  Black,  I.,  Holley,  R.  J.,  dan  Lum,  P.  S.,  2011  “Hand  Spring  Operated  Movement  Enhancer (HandSOME):  A  Portable,  Passive  Hand  Exoskeleton  for  Stroke  Rehabilitation,” IEEE  Trans.  Neural  Syst. Rehabil. Eng ., vol. 19, no. 4, pp. 391–399.
[4]  Li, J., Wang, S., Wang, J., Zheng, R., Zhang, Y., dan Chen, Z., 2012, “Development of a hand exoskeleton system for index finger rehabilitation,” Chin. J. Mech. Eng ., vol. 25, no. 2, pp. 223–233.
[5]  Wahit M. A. A. dan Ahmad, S. A. 2017, “Design and development of low-cost exoskeleton hand robot structure,” IEEE 15th Student Conference on Research and Development (SCOReD) , pp. 45–49.
[6]  Gearhart,  C.  J.,  Varone,  B.,  Stella,  M.  H.,  dan  Busha,  B.  F.,  2016,  “An  effective  3-fingered  augmenting exoskeleton for the human hand,” 38th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), pp. 590–593.
[7]  Richards, D. S., Georgilas, I., Dagnino, G., dan Dogramadzi, S., 2015 “Powered exoskeleton with palm degrees of freedom for hand rehabilitation,” 37th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), pp. 4635–4638.
[8]   Ates, S., Haarman, C. J. W. dan Stienen, A. H. A., 2017, “SCRIPT passive orthosis: design of interactive hand and wrist exoskeleton for rehabilitation at home after stroke,” Auton. Robots , vol. 41, no. 3, pp. 711–723.
[9]  Ismail,  R.,  Ariyanto,  M.,  Pambudi,  K.  A.,  Syafei,  J.  W.,  dan  Ananto,  G.  P.,  2017,  “Extra  robotic  thumb  and exoskeleton robotic fingers for patient with hand function disability,” 4th International Conference on Electrical Engineering, Computer Science and Informatics (EECSI) , pp. 1–6.
[10]  Annanto,  G.P., Ismail,  R.,  Haryanto,  I.,  Ariyanto,  M., Pambudi,  K.A.  and  Pranoto,  K.A.,  2019,  June.  Numerical analysis  of  stress  and  displacement  on  the  index  finger  of  the  prosthetic  hand  due  to  hook  position. AIP Conference Proceedings, vol. 2114, No. 1, p. 050017.
[11]  Ariyanto,  M.,  Ismail,  R.,  Setiawan,  J.D.  and  Yuandi,  E.P.,  2019.  Anthropomorphic  transradial  myoelectric  hand using tendon-spring mechanism. TELKOMNIKA , 17(1), pp.537-548.